科學人雜誌
物理學

等待「微中子不出現」

2013/12/27 寇菲德(Calla Cofield)
物理學家期待藉由微中子的湮滅現象,解開懸宕多年的基本粒子謎團。

兩顆微中子在對撞時剛好湮滅,並且釋放出電磁波,這樣的機率微乎其微。物理學家估計每1024年才會在單一原子中發生這種稱為「無微中子雙重β衰變」的現象,這個時間遠大於宇宙年齡138億年。

話說回來,即使真的等了1024年,還不一定保證無微中子雙重β衰變會發生。物理學家希望能觀察到這種衰變現象,以逐步解開更多有關微中子這謎樣粒子的性質。

一般的高能實驗是藉由靈敏的偵測器捕捉特定粒子,來證實新基本粒子的存在。無微中子雙重β衰變則是反過來,要證明的是粒子(微中子)在此現象中並不存在。一般的β衰變是指,放射性原子核(例如會衰變成鋇的氙)在衰變過程中釋出一對電子和一對微中子。很多物理學家相信微中子同時也是自己的反粒子,如果他們的理論正確,這一對微中子產物應該有些微機率會剛好湮滅,這就是目前實驗學家積極尋找的無微中子雙重β衰變。

假使它真的存在,微中子的湮滅現象將帶來好幾項新的研究課題。美國馬里蘭大學的物理學家霍爾(Carter Hall)說:「無微中子雙重β衰變將是許多新物理的確鑿證據。」這包括最誘人的發現:證實微中子和反微中子是同一顆粒子,這表示它的質量不像大部份的基本粒子是來自希格斯玻色子,而是其他某個未知的機制,同時這有助於解釋為什麼當今宇宙的物質數量遠遠多於反物質。

這一絲希望在2001年浮現,一群參與海德堡–莫斯科無微中子雙重β衰變實驗的物理學家宣稱看到了這種稀有現象,不過稍後新的數據卻完全消除了它的可信度。位於義大利的鍺76偵測陣列(GERmanium Detector Array, GERDA),理當能夠為海德堡–莫斯科團隊提供佐證,但卻什麼也沒量到。2013年9月的《物理評論通訊》中提到,同位素鍺76完全沒有偵測到無微中子雙重β衰變的跡象。許多微中子的研究學者冀望2014年GERDA提升實驗精準度後,可以實現這個等候多時的願望。

物理學家同時忙於爬梳可能發生無微中子雙重β衰變的其他放射性原子產物。2012年公佈的日本神岡液態閃爍器反微中子偵測器–零微中子實驗(KamLand-Zen)和美國新墨西哥州濃縮氙136觀測器(EXO-200)實驗的初步數據,都還未在氙同位素的衰變中,找到無微中子雙重β衰變的證據,不過這是10幾年來物理學家首次設計試驗來尋找此謎樣的現象,至少算是踏出了一大步。

【欲閱讀更豐富內容,請參閱科學人2014年第143期1月號】


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